磁控濺射鍍膜設備原理講解

磁控濺射鍍膜設備原理講解

1、磁控濺射：

磁控濺射系統在陰極靶材的背后放置100～1000Gauss強力磁鐵,真空室充入011～10Pa壓力的惰性氣體(Ar),作為氣體放電的載體。在高壓作用下Ar原子電離成為Ar+離子和電子,,電子在加速飛向基片的過程中,受到垂直于電場的磁場影響,使電子產生偏轉,被束縛在靠近靶表面的等離子體區域內,電子以擺線的方式沿著靶表面前進,在運動過程中不斷與Ar原子發生碰撞,電離出大量的Ar+離子，經過多次碰撞后電子的能量逐漸降低,擺脫磁力線的束縛,最終落在基片、真空室內壁及靶源陽極上。而Ar+離子在高壓電場加速作用下,與靶材的撞擊并釋放出能量,導致靶材表面的原子吸收Ar+離子的動能而脫離原晶格束縛,呈中性的靶原子逸出靶材的表面飛向基片,并在基片上沉積形成薄膜。

簡單說：真空濺鍍室先由高真空泵抽至一定壓力之后，通過恒壓儀器或質量流量計向濺鍍室內充入惰性氣體（如氬氣）至一恒定壓力（如2×10-1Pa 或5×10-1Pa）后，在磁控陰極靶上施加一定功率的直流電源或中頻電源，在正負電極高壓的作用下，陰極靶前方與陽極之間的氣體原子被大量電離，產生輝光放電，電離的過程使氬原子電離為Ar+離子和可以獨立運動的電子，在高壓電場的作用下，電子飛向陽極，而帶正電荷的Ar+離子則高速飛向作為陰極的靶材，并在與靶材的撞擊過程中釋放出其能量，獲得相當高能量的靶材原子脫離其靶材的束縛而飛向基體，于是靶材粒子沉積在靶對面的基體上形成薄膜。

濺射產額隨入射離子能量變化的簡單示意圖，簡稱濺射曲線。從該圖可以看出濺射產額隨入射離子能量的變化有如下特征：存在一個濺射閾值，閾值能量一般為20~100 eV。當入射離子的能量小于這個閾值時，沒有原子被濺射出來。通常當入射離子的能量為1~10 keV時，濺射產額可以達到一個最大值。當入射離子的能量超過10 keV 時，濺射產額開始隨入射離子的能量增加而下降。

2、主要濺射方式：

反應濺射是在濺射的惰性氣體氣氛中,通入一定比例的反應氣體,通常用作反應氣體的主要是氧氣和氮氣。

直流濺射(DC Magnetron Sputtering)、射頻濺射(RF Magnetron Sputtering)、脈沖濺射(PulsedMagnetro n Sp uttering)和中頻濺射(Medium Fre2quency Magnetro n Sp uttering)

直流濺射方法用于被濺射材料為導電材料的濺射和反應濺射鍍膜中,其工藝設備簡單,有較高的濺射速率。

中頻交流磁控濺射在單個陰極靶系統中,與脈沖磁控濺射有同樣的釋放電荷、防止打弧作用。中頻交流濺射技術還應用于孿生靶(Twin2Mag)濺射系統中,中頻交流孿生靶濺射是將中頻交流電源的兩個輸出端,分別接到閉合磁場非平衡濺射雙靶的各自陰極上,因而在雙靶上分別獲得相位相反的交流電壓,一對磁控濺射靶則交替成為陰極和陽極。孿生靶濺射技術大大提高磁控濺射運行的穩定性,可避免被毒化的靶面產生電荷積累,引起靶面電弧打火以及陽極消失的問題,濺射速率高,為化合物薄膜的工業化大規模生產奠定基礎。

連續式的磁控濺射生產線 總體上可以分為三個部分: 前處理, 濺射鍍膜, 后處理。

2. 1 ：前處理（清洗工序）

要獲得結合牢固、致密、無針孔缺陷的膜層, 必須使膜層沉積在清潔、具有一定溫度甚至是激活的基片上。為此前處理的過程包括機械清洗(打磨、毛刷水洗、去離子水沖洗、冷熱風刀吹凈)、烘烤、輝光等離子體轟擊等。機械清洗的目的是去除基片表面的灰塵和可能殘留的油漬等異物, 并且不含活性離子, 必要時還可采用超聲清洗。烘烤的目的是徹底清除基片表面殘余的水份, 并使基片加熱到一定的溫度, 很多材質在較高的基片溫度下可以增強結合力和膜層的致密性?；暮婵究梢栽谡婵帐彝膺M行, 也可以在真空室內繼續進行, 以獲得更好的效果。但在真空室內作為提供熱源的電源應有較低的電壓, 否則易于引起放電。輝光等離子體轟擊清洗可以進一步除去基片表面殘留的不利于膜層沉積的成份, 同時可以提高基片表面原子的活性, 更有利于基片與沉積的材質原子產生牢固的結合。使用中頻電源會取得比直流放電更明顯的效果。

2. 2 ：濺射鍍膜

這部分應是生產線的主體, 而且是處在真空狀態下的一個系統, 是由不銹鋼或碳鋼做成的一個個獨立的室體連接組成。它的兩端為了反復地使清洗過的玻璃基片進入和讓鍍制好的基片輸出, 而處在一個特殊的狀態, 稱為真空鎖室。每個鎖室的兩端都有閥門并配置抽氣能力強大的真空機組, 可以容易地完成真空和大氣的轉換。與真空鎖室相連的真空室體稱之為過渡室。它的作用是停留由鎖室輸入的待鍍基片, 或讓沉積好的基片停留于此, 等待輸出鎖室, 起到調配基片運行的作用。過渡室亦應配置真空機組, 并要保持較高的真空度。輸入端的過渡室內可以設置輝光放電等離子清洗裝置。但應考慮與基片運行方向相鄰的室體的隔離, 這種隔離主要是相鄰的室體維持不同的壓力。輝光放電的壓力一般較高, 而濺射鍍膜的工作壓力往往在更低的量級。在前后過渡室之間的部分稱為鍍膜室或濺射室。每個鍍膜室是一個獨立的沉積區域。所謂獨立是指該鍍膜室內的工作壓力以及工作氛圍不受其它室體的影響。每個濺射室設有一付或兩付靶位。每付靶位上可以安裝一付磁控濺射靶, 或稱為陰極。濺射室的數量亦或濺射靶的數量, 包括選用的靶材, 取決于生產線開發膜系的能力和產量。磁控濺射靶的功率密度一般13W/ cm 2, 比直流濺射要高得多。但實際的電源往往很難保證靶的功率。沒有大的功率就沒有高沉積速率,而高沉積速率是現代鍍膜所推崇的。電源的并聯是增強功率的一個途徑。平面磁控靶的結構分為直冷式和間冷式兩類。直冷式適合于氣密性好的靶材。由于冷卻效果好, 功率更大一些。間冷式的適合于氣密性較差的靶材, 功率要小一些。靶內磁體目前更多采用的是釹鐵硼永磁體, 只要保證磁場的均勻, 再在工作氣體的布氣裝置上采用合理的方式, 在整個靶面的區域內, 實踐證明均能獲得均勻的濺射刻蝕。這是膜層橫向均勻性的重要保證?？紤]到靶的兩端所產生的邊緣效應, 為使基片的兩端也獲得與中間部分相同的膜厚, 靶的兩端要伸出基片邊緣足夠的長度。高真空的背景是濺射沉積的必要條件, 所以濺射室對稱設置有高真空機組。目前采用的大多是擴散泵機組。進口設備中, 配置渦輪分子泵的, 但維修麻煩, 更換軸承需由廠家進行；配置擴散泵的還加有液氮冷阱, 這樣有更好的擋油效果, 但維持費用高。這種泵用于進片室可以免油蒸汽對基片的污染, 并可防止活性氣體周期性的混入鍍膜室內。在濺射鍍膜中盡量抑制油蒸汽的污染的必要性應是無可爭議的。為了保證每個濺射室能在獨立的氣氛下工作, 相鄰的濺射室之間應采取氣氛隔離措施。這可通過狹縫裝置來達到隔離的目的。所謂狹縫是用兩塊橫貫室體的鋼板水平圍成的長200～ 300mm , 高10～ 12mm 的空間, 這是一種流導模型, 在分子態下具有很小的傳輸幾率。狹縫所處位置的室體橫截面, 除了縫外完全隔斷。這樣兩道狹縫相距40～ 50 cm 設置便可形成一種物理上的隔離。兩狹縫圍成空間的兩端配置有高真空機組, 可使隔離效果更佳, 控制在1% 以內。這種結構的優越之處在于隔離氣氛和傳輸玻璃可同時兼顧。如若不能實現有效的隔離, 當相鄰的沉積區域氣氛不同時,則相互的影響將嚴重的破壞膜層的均勻性, 甚至結構,這是不能允許的。

2. 3 ：后處理

鍍制好的基片從真空室內輸送到大氣中后, 一般還要經過清洗及檢測。清洗的要求沒有前處理那么嚴格。目的是使膜層的缺陷更容易暴露出來, 以便在后續的檢測中被發現。最簡單的檢測就是目測, 為便于觀察, 基片的底部分布有光源, 可以發現針孔的存在和數量, 有無放電的痕跡。出線端的透過率檢測儀可以指出膜層最終的透過率。也可以在基片范圍內布置多道探頭, 采集數據由計算機處理來評估膜層的縱向和橫向的均勻性及有無異常。對于特殊用途的光學薄膜出線后即進入凈化室, 覆上一層保護用的帶膠薄膜后存放。